Полное повторение химии для подготовки к ЕНТ

Основы общей химии: строение атома, периодический закон и химическая связь

Химия — это наука о веществах и их превращениях. Чтобы понять, как одни вещества превращаются в другие, нужно заглянуть внутрь материи. Всё начинается с мельчайших частиц — атомов. Понимание их строения — это ключ к успешной сдаче ЕНТ, так как на этой теме базируется вся остальная химия, от неорганики до органических реакций.

Строение атома

Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него.

Состав атомного ядра

Ядро находится в центре атома и содержит почти всю его массу. Оно состоит из двух типов частиц — нуклонов:

* Протоны () — имеют заряд и относительную массу . * Нейтроны () — не имеют заряда () и имеют относительную массу .

Вокруг ядра вращаются электроны (), которые имеют заряд и ничтожно малую массу (которой в расчетах обычно пренебрегают).

Так как атом электронейтрален, число плюсов должно равняться числу минусов:

> Число протонов = Число электронов = Порядковый номер элемента в таблице Менделеева ().

Массовое число атома () — это сумма протонов и нейтронов. Основная формула для расчетов:

где — массовое число (атомная масса, округленная до целого), — число протонов (заряд ядра, порядковый номер), — число нейтронов.

Отсюда легко найти число нейтронов:

где — число нейтронов, — массовое число, — число протонов.

Пример: Рассмотрим атом Натрия (Na). Порядковый номер — 11, атомная масса — 23. * Протонов (): 11 * Электронов (): 11 * Нейтронов ():

!Строение атома на примере Лития

Изотопы

В природе существуют атомы одного и того же элемента, которые весят по-разному. Это происходит из-за разного количества нейтронов.

Изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное массовое число (число нейтронов).

Пример изотопов водорода:

Протий (): 1 протон, 0 нейтронов.

Дейтерий ( или ): 1 протон, 1 нейтрон.

Тритий ( или ): 1 протон, 2 нейтрона.

Химические свойства изотопов практически одинаковы, а физические могут немного отличаться.

Электронная конфигурация атома

Электроны в атоме располагаются не хаотично, а по энергетическим уровням (слоям). Номер периода в таблице Менделеева показывает количество энергетических уровней.

Каждый уровень делится на подуровни (), состоящие из орбиталей (ячеек). В одной орбитали может находиться максимум 2 электрона с разными спинами (стрелочки вверх и вниз).

Максимальное число электронов на подуровнях: * -подуровень: 1 орбиталь макс. 2 электрона () * -подуровень: 3 орбитали макс. 6 электронов () * -подуровень: 5 орбиталей макс. 10 электронов () * -подуровень: 7 орбиталей макс. 14 электронов ()

Порядок заполнения орбиталей (принцип минимума энергии): Электроны сначала занимают уровни с меньшей энергией. Порядок заполнения:

Обратите внимание: заполняется РАНЬШЕ, чем . Это важно для переходных металлов (например, Fe, Cu, Zn).

Пример: Электронная формула Хлора (Cl, №17). Всего 17 электронов. Заполняем по порядку:

1-й уровень: (2 электрона)

2-й уровень: (2+6=8 электронов)

3-й уровень: (осталось 7 электронов)

Полная формула: . Валентные электроны (внешние): — всего 7 электронов, что соответствует номеру группы (VII).

!Порядок заполнения электронных орбиталей

Периодический закон и закономерности

Д.И. Менделеев сформулировал закон, который гласит, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер.

Таблица Менделеева — это графическое отображение этого закона. Она состоит из Периодов (горизонтальные ряды) и Групп (вертикальные столбцы).

Как меняются свойства атомов?

Для ЕНТ критически важно знать, как меняются характеристики элементов по таблице. Запомните два главных направления: вдоль периода (слева направо) и вдоль группы (сверху вниз).

| Свойство | В периоде (слева направо) | В группе (сверху вниз) | | :--- | :--- | :--- | | Заряд ядра | Возрастает | Возрастает | | Радиус атома | Уменьшается (электроны сильнее притягиваются к ядру) | Увеличивается (добавляются новые слои) | | Электроотрицательность (ЭО) | Увеличивается | Уменьшается | | Металлические свойства | Ослабевают | Усиливаются | | Неметаллические свойства | Усиливаются | Ослабевают | | Окислительные свойства | Усиливаются | Ослабевают | | Восстановительные свойства | Ослабевают | Усиливаются |

Самый сильный металл — Франций (Fr) (левый нижний угол). Самый сильный неметалл — Фтор (F) (правый верхний угол, исключая инертные газы).

> Лайфхак: Все "плохие" свойства (агрессивность неметаллов, электроотрицательность) растут ко Фтору. Все "добрые" свойства (радиус, способность отдавать электроны) растут к Францию.

Химическая связь

Атомы образуют связи, чтобы стать стабильными. Самое стабильное состояние — это когда внешний электронный слой заполнен (обычно это 8 электронов — октетная правило).

Существует четыре основных типа химической связи.

1. Ковалентная связь

Возникает между атомами неметаллов за счет образования общих электронных пар.

Ковалентная неполярная: Между атомами одного и того же* неметалла (или с одинаковой ЭО). Электронная пара находится ровно посередине. * Примеры: . Ковалентная полярная: Между атомами разных* неметаллов. Общая пара смещена к более электроотрицательному элементу. * Примеры: .

2. Ионная связь

Возникает между металлом и неметаллом (или когда разница в электроотрицательности очень велика). Металл отдает электрон и становится положительным ионом (катионом), а неметалл принимает и становится отрицательным ионом (анионом). Ионы притягиваются электростатически.

* Примеры: . Важно:* Соли аммония () тоже имеют ионную связь, хотя металлов там нет (связь между ионом и ).

3. Металлическая связь

Возникает в металлах и сплавах. Атомы металлов легко отдают внешние электроны, которые становятся "свободными" и перемещаются по всему объему куска металла. Образуется "электронный газ", удерживающий положительные ионы металлов.

* Примеры: , латунь, сталь.

4. Водородная связь

Это слабая связь, возникающая между атомом Водорода (), связанным с сильно электроотрицательным элементом (), и атомом электроотрицательного элемента другой молекулы.

* Влияет на физические свойства (повышает температуру кипения). * Примеры: Вода (), аммиак (), плавиковая кислота (), спирты, белки, ДНК.

!Типы химических связей

Кристаллические решетки

Тип связи определяет тип кристаллической решетки и физические свойства вещества.

Ионная решетка: (в веществах с ионной связью). Твердые, тугоплавкие, проводят ток в растворах и расплавах. (Соли, щелочи, оксиды металлов).

Атомная решетка: (в веществах с очень прочной ковалентной связью). Очень твердые, очень тугоплавкие, нерастворимые. (Алмаз , кремний , оксид кремния (песок, кварц), карбид кремния ).

Молекулярная решетка: (в веществах с ковалентной связью, газы и жидкости). Слабые связи между молекулами. Легкоплавкие, летучие, часто имеют запах. (Вода, газы , "сухой лед" , органика).

Металлическая решетка: (в металлах). Пластичные, имеют металлический блеск, проводят тепло и ток.

Валентность и Степень окисления

Эти понятия часто путают, но они разные.

* Валентность — это способность атома образовывать определенное число химических связей. У нее нет знака (плюс или минус). Например, в валентность кислорода — II. * Степень окисления (СО) — это условный заряд атома, вычисленный из предположения, что все связи ионные. Имеет знак (, , ).

Правила определения СО:

У простых веществ СО равна ().

Сумма всех СО в молекуле равна .

У Кислорода почти всегда (исключения: пероксиды , фторид кислорода ).

У Водорода с неметаллами , с металлами .

У металлов I группы (Li, Na, K) всегда , II группы (Mg, Ca, Ba) всегда , Алюминия .

Пример расчета: Найдем СО серы в серной кислоте . Пусть у серы .

Уравнение:

Ответ: Степень окисления серы .

Итоги

Атом состоит из ядра (протоны + нейтроны) и электронов. Число протонов и электронов равно порядковому номеру элемента.

Свойства элементов меняются периодически: радиус уменьшается вправо и растет вниз; электроотрицательность — наоборот.

Химическая связь бывает ковалентной (неметалл+неметалл), ионной (металл+неметалл), металлической (металлы) и водородной (H с F, O, N).

Тип решетки зависит от связи: атомная — самая прочная (алмаз), молекулярная — самая слабая (лед, газы).

Степень окисления — это условный заряд, сумма зарядов в молекуле всегда равна нулю.

Классификация и закономерности протекания химических реакций

Химическая реакция — это процесс превращения одних веществ (реагентов) в другие (продукты) без изменения состава атомных ядер. В предыдущей статье мы разобрали, как атомы соединяются друг с другом. Теперь пришло время узнать, как эти связи рвутся и образуются новые, и почему одни реакции идут мгновенно со взрывом, а другие тянутся годами.

Для успешной сдачи ЕНТ нужно не только уметь писать уравнения, но и классифицировать их, а также понимать, как управлять скоростью реакции и химическим равновесием.

1. Классификация химических реакций

В химии существует несколько способов разделить реакции на группы. На ЕНТ часто встречаются вопросы типа: «К какому типу относится данная реакция?».

По числу и составу реагентов и продуктов

Это самая базовая классификация. Существует четыре основных типа:

Реакции соединения

Из нескольких простых или сложных веществ образуется одно более сложное. * Общая схема: * Пример: (горение серы) * Пример: (гашение извести)

Реакции разложения

Из одного сложного вещества образуется несколько новых. * Общая схема: * Пример: (электролиз воды) * Пример: (обжиг известняка)

Реакции замещения

Атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Обычно это «активный металл вытесняет менее активный» или «галоген вытесняет галоген». * Общая схема: * Пример: (цинк вытесняет водород) * Пример: (железо вытесняет медь)

Реакции обмена

Два сложных вещества обмениваются своими составными частями. Это самые частые реакции в растворах (реакции ионного обмена). * Общая схема: * Пример: (нейтрализация) * Пример: (выпадение осадка)

!Наглядное изображение реакций соединения, разложения, замещения и обмена

По тепловому эффекту

В ходе любой реакции энергия либо выделяется, либо поглощается.

Экзотермические реакции ()

Идут с выделением тепла. Среда нагревается. * Признаки: Горение, взрыв, нейтрализация кислот щелочами, соединение металлов с неметаллами. * Пример: Исключение:* Реакция азота с кислородом () — эндотермическая, хотя это соединение газов.

Эндотермические реакции ()

Идут с поглощением тепла. Для их протекания нужно постоянно нагревать вещество. * Признаки: Почти все реакции разложения. * Пример:

> Важно для ЕНТ: В термохимических уравнениях указывают тепловой эффект . Если , то энтальпия (система теряет энергию). Если , то (система накапливает энергию).

По изменению степеней окисления

Окислительно-восстановительные (ОВР): Степени окисления элементов меняются. (Например, ).

Не ОВР: Степени окисления не меняются. (Обычно это реакции обмена, например, ).

По агрегатному состоянию (фазовому составу)

Гомогенные: Все вещества находятся в одной фазе (газ + газ, жидкость + жидкость).

* Пример:

Гетерогенные: Вещества в разных фазах (твердое + газ, твердое + жидкость).

* Пример: (горение угля)

По обратимости

Необратимые: Идут до конца, пока не закончится один из реагентов. Признаки: выделение газа, выпадение осадка, образование воды (малодиссоциирующего вещества).

Обратимые: Идут одновременно в двух направлениях (прямом и обратном). Обозначаются знаком .

* Пример:

---

2. Скорость химической реакции

Некоторые реакции идут за доли секунды (взрыв), а другие — веками (ржавление железа, образование минералов). Скорость реакции показывает, как быстро меняется количество вещества в единицу времени.

Формула средней скорости реакции:

где — скорость реакции (моль/л·с), и — начальная и конечная концентрации (моль/л), и — начальное и конечное время (с), — изменение концентрации, — промежуток времени. Знак «минус» ставится, если считаем по расходуемому реагенту (его становится меньше), «плюс» — по продукту.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Природа реагирующих веществ: Фтор реагирует с водородом со взрывом даже в темноте, а йод с водородом — только при сильном нагревании. Это зависит от энергии активации и прочности связей.

Концентрация реагентов: Чем больше частиц в объеме, тем чаще они сталкиваются. Для газов и жидкостей: чем выше концентрация, тем выше скорость.

Температура: При нагревании частицы движутся быстрее и сталкиваются эффективнее. Правило Вант-Гоффа гласит:

> При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции возрастает в 2–4 раза.

Математическое выражение правила Вант-Гоффа:

где — скорость при конечной температуре, — скорость при начальной температуре, (гамма) — температурный коэффициент (показывает, во сколько раз растет скорость каждые 10 градусов), — конечная температура, — начальная температура.

Пример: Скорость реакции при равна 1 моль/л·с. Температурный коэффициент . Какова скорость при ? Решение: . Скорость вырастет в 9 раз.

Площадь соприкосновения (для твердых веществ): Полено горит медленно, а древесные опилки могут вспыхнуть мгновенно. Чем сильнее измельчено вещество, тем быстрее идет реакция (актуально для гетерогенных реакций).

Катализаторы: Вещества, которые ускоряют реакцию, но сами в ней не расходуются. Они снижают энергию, необходимую для начала реакции (энергию активации).

Ингибиторы* — наоборот, замедляют реакцию (используются для защиты металлов от коррозии).

---

3. Химическое равновесие

В обратимых реакциях наступает момент, когда скорость прямой реакции становится равна скорости обратной реакции. Это состояние называется химическим равновесием. Видимые изменения прекращаются, хотя на молекулярном уровне процессы продолжаются.

Принцип Ле Шателье

Это «золотое правило» для заданий ЕНТ на равновесие. Оно звучит так:

> Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону той реакции, которая ослабляет это воздействие.

Проще говоря, система делает всё «назло».

#### 1. Влияние концентрации * Если добавить вещество (увеличить концентрацию), система захочет его потратить равновесие сместится от добавленного вещества. * Если убрать вещество (уменьшить концентрацию), система захочет его восполнить равновесие сместится к убранному веществу.

#### 2. Влияние температуры Здесь нужно смотреть на знак теплового эффекта ( или ). * Если мы нагреваем систему, ей становится «жарко», и она хочет охладиться равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (, где тепло поглощается). * Если мы охлаждаем систему, она хочет согреться равновесие смещается в сторону экзотермической реакции (, где тепло выделяется).

#### 3. Влияние давления (только для газов!) Давление связано с объемом газов. Считаем коэффициенты перед газами в уравнении. * Если повышаем давление (сжимаем), системе становится тесно равновесие смещается в сторону меньшего объема (меньшего числа моль газов). * Если понижаем давление (расширяем), системе просторно равновесие смещается в сторону большего объема (большего числа моль газов).

Пример:

Слева: моль газа. Справа: моль газа. * Повысим давление сместится вправо (где 2 моль, там меньше места занимают). * Нагреем сместится влево (так как прямая реакция , значит обратная , а при нагреве идем в ).

> Важно: Катализатор НЕ смещает равновесие! Он лишь ускоряет момент его наступления (ускоряет и прямую, и обратную реакцию одинаково).

Итоги

Типы реакций: Соединения (), разложения (), замещения (), обмена ().

Тепловой эффект: Экзотермические () выделяют тепло, эндотермические () поглощают. Горение — всегда экзо (кроме ).

Скорость реакции: Зависит от концентрации, температуры (правило Вант-Гоффа), площади поверхности (для твердых тел) и катализатора.

Принцип Ле Шателье: Система противодействует внешнему влиянию. Давление влияет только на газы (сдвиг в сторону меньших молей при сжатии). Катализатор на равновесие не влияет.